利用高等級點加強三級GPS網的處理分析*

程廣義 張海東 張英利 萬 鑫 趙淑芬

(西安測繪總站，西安 710054)

利用高等級點加強三級GPS網的處理分析*

程廣義 張海東 張英利 萬 鑫 趙淑芬

(西安測繪總站，西安 710054)

全國三級GPS大地控制網是基礎測繪長期的建設項目，充分利用各類工程建設的高等級GPS控制點，不僅可以提高三級GPS大地控制網布設精度，而且還可以加快三級GPS網的建設。提出了基于高等級GPS控制點的三級網計算方法，并針對某區域進行了試驗分析。

三級GPS大地控制網;基準站;高等級;GPS;控制點;工程建設

1 引言

全國三級GPS大地控制網(簡稱三級GPS網)，是全國一、二級GPS網的加密和補充，并與高等級GPS控制點(簡稱高等級點)共同構成三維基礎大地控制網［1-3］。三級GPS網可為相關用戶提供各種控制基礎和聯測起算，也可為地方所用。三級GPS網從2002年開始建設，目前已經完成了大約10多個省區的站點布設。已完成的三級網點滿足了設計要求，其水平方向點位中誤差精度優于3 cm，垂直方向點位中誤差精度優于5 cm［4］。

在三級網建設之初，高等級點約有2 000多個，其主要包括:中國地殼運動觀測網絡(簡稱網絡工程)基準站、基本站、區域站，全國一、二級GPS網以及國家A、B級網點［3］。以往科研和工程人員主要利用網絡工程的GPS基準站觀測結果作為三級網的起算控制［4］，其他高等級點由于點位分布和觀測精度等原因，在三級網布設和分析中實際應用不多。目前已經布設的全國高等級點大約有5 000多個，隨著中國大陸構造環境監測網絡(簡稱陸態網絡)、區域地殼形變監測網和全國水準面精化等各類基礎測繪項目的實施和完成，高等級GPS控制點將會增加到10 000多個。通過對高等級點的數據處理和整網平差，在三級網布設時充分利用這些高等級點的成果，從而為提高三級網的建設速度和布網精度創造了良好的條件。本文通過對三級網布設過程中利用高等級GPS站點的成果進行試驗和分析，并對應用這些成果的效果進行評估，同時提出實際作業和數據處理方案的建議，為今后繼續布設軍控三級網提供借鑒。

2 三級網的布設原則

三級GPS網的設計精度和國家C級網的精度基本相同，三級網除了滿足C級網用途外，還有其他特殊的應用，所以三級網布網方法、觀測手段和作業模式與國家C級網有所不同。

三級網的布設原則上均勻覆蓋，相鄰點間距離為20～50 km，一般約為35 km，特殊地區可根據實際情況而定。三級網點周圍一般布設2個GPS方位點，構成兩兩通視的GPS方位邊三角形，方位邊邊長一般為1.5～4 km。在觀測作業時，三級網點需要和GPS方位點同步觀測，有效觀測時間應不少于4小時。此外，三級網點均需聯測三等以上的水準高程標志。三級網測量既可采用基于連續運行GPS基準站的作業模式，也可以采用GPS靜態相對定位作業模式［3，4］。采用基于連續運行的基準站的GPS作業模式，應保證測區周圍有4個基準站正常運行，并在測區設立臨時基準站，保證基準站的幾何分布合理［5］。

3 基于高等級點三級網的布設

近年來，隨著高等級點的數量大幅增加、精度的提高以及點位分布的更加合理，為提高三級網的建設速度和布網精度創造了條件。

3.1 利用高等級點布網的基本思想

基于連續運行GPS基準站的作業模式在全國發展很快，僅陸態網絡GPS基準站就增加了10倍，站間距離縮短到150～200 km。目前三級網布設作業時，單個測區范圍內大多有2個以上GPS基準站，今后基準站的密度會更高，因此今后作業時就不需要設立臨時基準站。

同時，全國高等級點的數量也比三級網建設之初有大幅度的增加，且以后還將會增加。因此，在三級網布設時采用高等級點作為同步三角形GPS觀測的主點，并在其周圍布設2個GPS方位點，按照三級網的技術要求進行同步觀測也成為可能。相應地在GPS數據處理時，可以把高等級點和測區范圍內的基準站作為控制點，同步解算出GPS方位點。這樣就可以大大減少三級網布設時的額外工作，提高布設的效率、降低布網的費用。這樣一種作業方式是否可行?與之配套的數據處理方案應該如何選取?其實際效果如何?需要通過試驗來驗證。

3.2 三級網布設試驗

在西南某區域選取了陸態網絡7個基準站作首級控制，同時采用了4個陸態網絡區域網點、2個全國水準面精化點作為三級網的主點。我們按照三級網的技術要求新設了6個三級網點，在三級網主點周圍布設了兩個GPS方位點和主點構成同步觀測三角形，采用上節提出的作業方式進行了試驗。相應地在數據處理時，采用兩種約束方案來確定三級點的坐標:一種是僅對網內陸態網絡GPS基準站坐標做強約束;另一種是對網內全部高等級點的坐標進行強約束，解算新設三級點的坐標。同時，方位點的解算也采用了兩種方法:第一種方法為同步解算基準站、三級網的主點和方位點的坐標，第二種方法則直接利用三級網主點的已知坐標同步解算方位點坐標。

4 基于高等級點三級網的數據處理

4.1 數據處理的基本流程

三級GPS控制網數據處理基本流程如圖1所示。

圖1 三級GPS控制網數據處理基本流程圖Fig.1 Flow chart of the third-order GPS geodetic network data processing

4.2 高等級點聯合處理

由于高等級點的觀測年代、觀測儀器不同，高等級點之間的精度有所差異，為了得到統一的高等級點成果，提高聯合處理的精度，可根據實際情況對高等級點分區、分子網進行先期處理［6，7］。分區、分子網處理時，首先用最小二乘原理對子網進行網平差，診斷并剔除明顯的異常基線數據，根據GPS的觀測精度情況，設置粗差的最大限差，剔除粗差數據，保留完好的觀測數據［8］。

在先期處理的基礎上把聯測數據分為4～5個區聯合平差。高等級點的數據先用GAMIT軟件進行處理，然后用GLOBK進行網平差，得到點位坐標及其方差、協方差。整網平差使用“VECADJ”GPS網平差等軟件，并用相關軟件進行比較檢核。高等級點整體處理基本過程見圖2。

圖2 高等級點整體處理基本過程Fig.2 Flow chart of global data processing of advanced GPS points

4.3 三級網點的解算

1)三級網主點的數據處理

三級網布網時盡可能利用測區內的高等級點作為主點，根據三級網的技術要求，這些主點相鄰間距一般為20～50 km，平均間距約35 km，此外還需要新埋設一定比例的三級網主點。

數據處理時選取測區附近的GPS基準站和高等級點作為起算控制，同步解算新埋設的三級網點。處理同步觀測時段的基準站、高等級點和三級網點的GPS數據時，使用GAMIT等高精度GPS數據處理軟件進行基線解算和平差。其中基線解算時，基準站、同步時間大于2小時的高等級點以及新設的三級網主點坐標三分量的約束值分別為0.005 m、0.005 m、0.005 m;平差計算時坐標三分量的約束值為0.000 1 m、0.000 1 m、0.000 1 m，同步觀測時間小于2小時的高等級點只在平差計算時給予1σ的約束。

2)三級網方位點的數據處理

三級網方位點的作用是為其他觀測手段提供方位起算和檢核的依據，方位點與主點之間距離在1.5～4 km，并構成同步環。考慮到方位點與主點一般距離較近，主要要求方位點與主點的內符合精度具有較好的一致性。在處理三級網方位點的數據時，可采用GAMIT軟件同步解算基準站、三級網主點和方位點，也可選擇合適的商用軟件來約束三級網主點以獲得整體性、一致性較好的三級網點成果。

另外，為了保證三級網坐標成果的精度，采用GAMIT軟件同步解算基準站、三級網主點和方位點。對不同方法和不同軟件解算的方位點坐標進行比較檢核，如果相差較大需精化數據重新解算;相鄰點方位角換算精度優于1.5″。

5 試算分析

5.1 強約束高等級點

在基準站和高等級點聯合處理的基礎上，采用兩種解算方法對試驗區的三級網點數據進行解算、比較和分析。方法一:強約束基準站，解算其他三級網點;方法二:強約束基準站和高等級點，解算其他三級網點。表1對兩種方法解算的三級GPS點的坐標結果進行了點位中誤差比較(Mn、Me、Mu為北、東、垂向中誤差)。結果表明，在三級GPS網解算時強約束基準站和高等級點的結果好于僅約束基準站坐標的結果，因此可以提高三級網的布網精度。

表1 高等級點強約束的結果(單位：cm)Tab.1 Results of tight constraint for advanced GPS point (unit：cm)

5.2 1σ約束高等級點

采用兩種方法解算三級網點，其比較結果見表2。方法一:強約束基準站，解算其他三級網點;方法二:強約束基準站和1σ約束高等級點，解算其他三級網點。表2的結果表明，在解算三級網時，強約束基準站和1σ約束高等級點獲得的點位平均中誤差結果略優于僅強約束基準站的結果，但該結果比強約束基準站和高等級點的結果要差。

表2 高等級點1σ約束的結果(單位：cm)Tab.2 Results of 1σconstraint for advanced GPS point(unit：cm)

5.3 方位點檢核比較

采用兩種方法計算方位點的坐標，方法一:采用GAMIT軟件同步解算基準站、三級網主點和方位點(即目前三級網解算采用的方法);方法二:對方位點數據進行解算時，選擇商用軟件約束三級網主點，即直接利用三級網主點的已知坐標同步解算方位點坐標。兩種方法得到的結果見表3。由于兩種方法所獲得的方位點坐標結果互差較小，因此在對三級網方位點坐標進行解算時，選擇商用軟件約束三級網主點的方法可以獲得與目前三級網解算所采用的方法整體性、一致性較好的成果。

表3 方位點不同解算結果比較(單位：cm)Tab.3 Contrast of different calculating methods of orientation point(unit：cm)

6 結論

全國三級GPS大地控制網是基礎測繪長期的建設項目，已在我國不同省市進行了布設。通過對已有高等級GPS點的數據處理和整網平差，在三級網布設時可以充分利用這些高等級點的成果。本文在所選擇的試驗區內對三級網布設過程中利用高等級GPS站點的成果進行分析，得到了以下結論:

1)全國高等級點進行整體平差，不僅可以提高高等級點的整體精度，而且還可以統一高等級點的坐標框架(如 2000國家大地坐標系，即CGCS2000)，提高三級網布設的控制精度。

2)利用三級網布設時所用到的高等級點作為三級網主點，在三級網解算時強約束基準站和高等級點，比僅對基準站坐標進行強約束為佳，因此可以提高三級網的布網精度。

3)目前解算三級網方位點時主要使用GAMIT軟件同步解算基準站、三級網主點和方位點。本文試驗中選擇商用軟件約束三級網主點獲取了三級網方位點的坐標成果。由于兩種方法所獲得的方位點坐標結果互差較小，因此在對三級網方位點坐標進行解算時，選擇商用軟件約束三級網主點可以獲得與目前采用的方法整體上較為一致的成果。

4)利用高等級點作為三級網主點，可以減少三級網點位選埋的工作量，節約建設成本，提高三級網的建設速度。

1 郭群長，等.青海地區三級GPS大地控制網的建立［J］.測繪科學技術學報，2009，(1):20-23.(Guo Qunchang，et al.Establishing of the third-order GPS geodetic network in Qinghai area［J］.Journal of Geomatics Science and Technology，2009，(1):20-23)

2 程廣義，等.關于三級GPS大地控制網數據的初步分析處理［R］.麗江:2003年大地測量學術年會.(Cheng Guangyi，et al.Preliminary data analysis and processing of the third-order GPS geodetic network［R］.Lijiang:Geodetic Annual Conference，2003)

3 程廣義，等.陸態網絡對全國三級GPS控制網建設的影響［A］.總參西安創新工作站論文集［C］，2010，(7):225 -228.(Cheng Guangyi，et al.The influence of CMONOC on the third-order GPS geodetic network［A］.Proceedings of Xi’an innovative workstation［C］.2010，(7):225-228)

4 程廣義等，基于GNSS基準站的三級GPS網解算精度分析［J］.大地測量與地球動力學，2011，(6):89-93.(Cheng Guangyi，et al.Accuracy analysis of third-order GPS geodetic network based on GNSS station［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2011，(6):89-93)

5 徐昌榮，等.GPS控制網中基準點的幾何分布對精度的影響研究［J］.安徽農業科學，2011，(3):1 842-1 843.(Xu Changrong，et al.The study on the impact of geometric distribution of datum points to the accuracy on GPS control network［J］.Agricultural Scienceamp;Technology，2011，(3):1 842-1 843)

6 趙慶海，等.方差分量估計簡化公式在高精度GPS網平差中的應用［J］.測繪通報，2001，(12):14-15.(Zhao Qinghai，et al.The application of variance-component estimation approximate formula for high precision GPS network［J］.Bulletin of Surveying and Mapping，2001，(12):14-15)

7 吳向陽，等.關于GPS網平差中若干特殊問題的處理［J］.測繪通報，2004，(7):9-11.(Wu Xiangyang，et al.A study of some special problems in GPS network adjustment［J］.Bulletin of Surveying and Mapping，2004，(7):9-11)

8 朱蘭艷，等.GPS網穩健估計的實驗分析［J］.測繪通報，2004，(12):5-7.(Zhu Lanyan，et al.Experiment analysis of robust estimation method for GPS network［J］.Bulletin of Surveying and Mapping，2004，(12):5-7)

DATA ANALYSIS OF THIRD-ORDER GPS GEODETIC NETWORK BY ADVANCED GPS REFERENCE POINT

Cheng Guangyi，Zhang Haidong，Zhang Yingli，Wan Xin and Zhao Shufen
(Xi’an Division of Surveying and Mapping，Xi’an 710054)

The third-order GPS geodetic network is a long-term construction project of national basic surveying.Making full use of advanced GPS reference points of all kind of project can not only improve the accuracy but also accelerate the construction of the third-order GPS geodetic network.The calculating method based on advanced GPS reference points for the third-order GPS geodetic network is introduced and the data of an area is used as an example.

the third-order GPS geodetic network;fiducial stations;advanced;GPS;reference point;project construction

1671-5942(2012)02-0096-04

2011-10-24

程廣義，男，1964年生，碩士，高級工程師，主要從事衛星定位技術及應用研究.E-mail:chenggy_64@163.com

P227

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